滕淑珍，戴本堯，匡娜，黃昕辰，郎嘉鵬（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000）

0 引言

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展和人們消費(fèi)水平的提高，導(dǎo)致國內(nèi)一些物價(jià)上漲，隨之而來的是企業(yè)的用工成本增加。對于一些工作強(qiáng)度大、時(shí)間長、動(dòng)作簡單的服裝、食品行業(yè)及一些小型加工企業(yè)，招工成了大難題。2000年開始，溫州市不少勞動(dòng)密集型企業(yè)出現(xiàn)招不到工人、留不住工人的現(xiàn)象，企業(yè)不得不向智能機(jī)械化轉(zhuǎn)型。

浙閩沿海有一種傳統(tǒng)面食——素面，也叫紗面，是一種非常細(xì)的手工面條，其直徑通常小于1.3 mm，長度大于2 m，各縣均有制作，歷史悠久。素面具有營養(yǎng)豐富、容易消化等特點(diǎn)。然而制作素面非常費(fèi)時(shí)間，年輕人都不愿意干，而年紀(jì)大的人又往往出現(xiàn)體力跟不上的情況。因此，雖然溫州素面市場很大，但是產(chǎn)能跟不上，且招工困難，即使招到也難以留住工人，這就迫使素面制作企業(yè)尋找可替代的機(jī)械，以機(jī)械化代替手工。

目前市場上對面條機(jī)械的研究設(shè)計(jì)大部分是針對普通掛面生產(chǎn)的，有整機(jī)設(shè)備，如全自動(dòng)面條機(jī)[1]、家用面條機(jī)[2]，也有單工序設(shè)備，如壓面機(jī)[3]、和面機(jī)[4]、磨面機(jī)[5]、削面機(jī)[6]、揉面機(jī)[7]、揣面機(jī)[8]，此外也有對特殊面條加工的研究，如魚面加工機(jī)械[9]，但是找不到使面條變細(xì)變長的設(shè)備。

綜上所述，分析現(xiàn)有的面條制造技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，針對制作素面的一道工序——繞面（如圖1），設(shè)計(jì)開發(fā)了一種全自動(dòng)纏繞的機(jī)器，可以多層同步、快速、交叉、自動(dòng)纏繞。

圖1 手工制作的繞面工藝

1 工作原理

1.1 整體功能結(jié)構(gòu)

繞面裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由底座、搖擺機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、后退機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)5大部分組成。

圖2 繞面裝置的裝配示意圖

根據(jù)手工制作工具，設(shè)計(jì)該設(shè)備的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)為以下幾個(gè)部分：1）適用范圍。面條、電線電纜、紡織用線等需要作“曲線”纏繞的線，以浙閩素面為主。2）繞面行程為100 ～500 mm。3）繞面間距為0～20 mm。4）繞面桿直徑為8～10 mm。5）繞面桿間距為50～150 mm。

1.2 工作原理

繞面裝置工作過程主要是通過擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上下擺動(dòng)繞面桿，與進(jìn)給機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)垂直交叉運(yùn)行，重復(fù)進(jìn)行，使得面條呈“8”字均勻纏繞在繞面桿上。首先驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上的繞面桿向上擺動(dòng)到極限位置，然后暫停，此時(shí)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)向前送料，到極限位置后暫停，然后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)繞面桿向下擺動(dòng)到極限位置，暫停，然后進(jìn)給機(jī)構(gòu)向相反方向送料，到極限位置后暫停，此時(shí)驅(qū)動(dòng)后退機(jī)構(gòu)的伺服電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)向后退一個(gè)單位距離。重復(fù)上述動(dòng)作，等繞線桿子上繞滿面條，此時(shí)由行程開關(guān)控制，所有動(dòng)力裝置自動(dòng)停止，繞線工作完畢。

2 繞面機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 搖擺機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

搖擺機(jī)構(gòu)是繞面裝置的重要組成部分，繞面桿固定在搖擺機(jī)構(gòu)上，面條纏繞在繞面桿上，當(dāng)搖擺機(jī)構(gòu)工作時(shí)，帶動(dòng)與其連接的繞面桿上下擺動(dòng)，桿上的面條一端在桿子上，另一端在送料管的出口處。搖擺機(jī)構(gòu)擺動(dòng)時(shí)不允許出現(xiàn)繞面桿掉落、彎曲變形等情況，并且一組繞面桿繞面結(jié)束時(shí)要快速、便捷地撤出繞面桿，以便下一組繞面桿繼續(xù)繞面。

上下?lián)Q向擺動(dòng)動(dòng)作是不連續(xù)的，在一個(gè)方向行程結(jié)束后需要停頓一段時(shí)間再換向擺動(dòng)，停頓期間其他機(jī)構(gòu)動(dòng)作，因此選用方便換向控制旋轉(zhuǎn)氣缸、電磁換向閥、交流伺服電動(dòng)機(jī)作為搖擺機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)氣缸與繞面桿之間設(shè)計(jì)一個(gè)連接件，此結(jié)構(gòu)要求與旋轉(zhuǎn)氣缸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，連接件的一側(cè)與旋轉(zhuǎn)氣缸成剛性連接，另一側(cè)與繞面桿成剛性連接。旋轉(zhuǎn)氣缸與連接件不需要頻繁拆裝，因此可以用緊固件連接。繞面桿需要頻繁拆裝，因此采用快換結(jié)構(gòu)連接，可采用半圓孔的固定方式；繞面桿工作過程中主要受到彎曲變形的力，需要考慮其變形量，因此采用控制繞線桿夾角的方法來預(yù)防其工作時(shí)的受力變形，一般情況角度控制在5°以內(nèi)。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

繞面桿全程繞滿面條后，繞面工序完成，接著取下纏滿面條的繞面桿進(jìn)行后續(xù)的醒面、開面、晾曬等工序，新的空的繞面桿則重新被安裝到擺動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行新一輪的繞面工序。通過快換結(jié)構(gòu)中活動(dòng)夾頭的松開或夾緊實(shí)現(xiàn)繞面桿的拆卸和安裝。纏滿面條的繞面桿與面條一直纏繞在一起，直到面條晾曬后才切斷面條，使得面與桿分離。

2.2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)給機(jī)構(gòu)是送料機(jī)構(gòu)，即將面條連續(xù)輸送到搖擺機(jī)構(gòu)上，因此進(jìn)給機(jī)構(gòu)的一端連接待加工的原始面條，另一端連接搖擺機(jī)構(gòu)，考慮到面條是柔性物體，在受力情況下容易斷，因此不能讓面條本身受力過大，需要減輕送料、纏繞過程中所受到的拉力。在原始面條這一端送料的整個(gè)行程中增加滑輪輔助面條前行，減輕阻力；在上繞面桿前增加一個(gè)推送動(dòng)力，此動(dòng)力通過帶電動(dòng)機(jī)的空心管的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。輔助滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)面條前進(jìn)，因此輔助輪可選U型滑輪，通過滾動(dòng)軸承與軸連接，根據(jù)輸送阻力大小，可以設(shè)定1～2個(gè)主動(dòng)輪（根據(jù)行程的大小可以適當(dāng)增加主動(dòng)輪數(shù)量）。主動(dòng)輪即主動(dòng)輸送輪，分為一級輸送輪（輸送的起點(diǎn)）和二級輸送輪（輸送的終點(diǎn)），需連接小電動(dòng)機(jī)，其他輔助輪則不需要連電動(dòng)機(jī)，確定位置并固定即可。進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)料管（如圖5）內(nèi)部為空心，可將面條藏于其內(nèi)部，使其保持干凈、衛(wèi)生，為了將面條從送料管的進(jìn)口處連接到出口處，可將管子上部做成開口的切槽結(jié)構(gòu)，既方便觀察，又容易拉出面頭。進(jìn)料管在工作時(shí)做直線運(yùn)動(dòng)，因此管子固定在一個(gè)滑臺上，滑臺底部沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌采用典型的燕尾槽結(jié)構(gòu)，進(jìn)料管的運(yùn)動(dòng)曲線如圖6所示?；_的一側(cè)與標(biāo)準(zhǔn)氣缸剛性連接，可采用Y型SC氣缸前叉連接件和緊固件連接。

圖5 進(jìn)料管結(jié)構(gòu)

圖6 進(jìn)料管的運(yùn)動(dòng)曲線

2.3 后退機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

后退機(jī)構(gòu)的作用是使繞面桿給面條纏繞預(yù)留空間，當(dāng)繞面桿上纏繞一圈面條后，如果繼續(xù)纏繞第二圈，則兩圈面條會重疊，影響后續(xù)的開面工序。因此后退機(jī)構(gòu)應(yīng)該帶著繞面桿一起后退，以確保每一圈面條間距均勻地纏繞在繞面桿上。繞面桿在后退一定距離后又要重新擺動(dòng)，因此，后退機(jī)構(gòu)需要帶動(dòng)整個(gè)搖擺機(jī)構(gòu)向相反方向直線運(yùn)動(dòng)。

由于原始面條受前道工序（盤面）的大小，以及初次醒面的時(shí)長、溫度、濕度等的影響，面條粗細(xì)有誤差，因此，后退的速度應(yīng)該可調(diào)，故采用絲桿螺母、伺服電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其后退機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 后退機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座材料應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境確定。本機(jī)構(gòu)屬于食品機(jī)械，對環(huán)境要求較高，設(shè)備不得有污染、生銹等不良情況，因此需要用防銹材料。底座受力較大，其結(jié)構(gòu)需要平穩(wěn)、牢固，因此可采用鋁型材搭成底座框架，外表面用不銹鋼板覆蓋。食品機(jī)械中與食品直接接觸的部位，其材料應(yīng)該用不銹鋼，由于面條中含有鹽分，因此對設(shè)備不銹鋼要求較高，建議使用304或316不銹鋼。

底座是支撐整個(gè)裝置的基石，要求結(jié)構(gòu)平穩(wěn)、緊湊，其大小應(yīng)該考慮底座上需要安裝的其他機(jī)構(gòu)、零部件的結(jié)構(gòu)和大小。本裝置底座上安裝有搖擺機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、后退機(jī)構(gòu)、各電氣控制元件。整體外形為長方體結(jié)構(gòu)（如圖8），長度為后退機(jī)構(gòu)的總長，加上繞面桿長度，再加上送料輔助輪的安裝距離，考慮到總長度太長不易搬運(yùn)，因此送料輔助輪單獨(dú)做一個(gè)底座，使用時(shí)移到合適位置即可；寬度為進(jìn)給機(jī)構(gòu)的行程，加上安裝余量；高度應(yīng)考慮人體站立時(shí)靜態(tài)尺寸，底座高度加上繞面桿與底座的距離，應(yīng)適合成年人站立時(shí)手能輕松拿取的高度，而繞面桿與底座的距離應(yīng)大于繞面桿間距，底座高度可參考鉗工桌的高度，取600～800 mm。鋁型材搭建底座需考慮拆裝方便，因此盡可能采用配套的連接件、緊固件。

圖8 底座外形結(jié)構(gòu)

2.5 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)和后退機(jī)構(gòu)都是需要協(xié)調(diào)的，每個(gè)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，其余動(dòng)作要停止。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的氣缸各連接一個(gè)電磁換向閥，可以根據(jù)需要換向，采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)控制這些動(dòng)作，加上傳感器、行程開關(guān)等，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，其流程如圖9所示。

圖9 電氣控制流程圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述設(shè)計(jì)的繞面裝置制造出試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖10所示。將盆里同一批面的面條分成人工和機(jī)器兩個(gè)大組進(jìn)行繞面試驗(yàn)，人工組又分為熟練工和新手兩組，以10對繞面桿為一個(gè)計(jì)時(shí)單位，取平均值計(jì)算出繞滿一對繞面桿的時(shí)間。機(jī)器的纏繞速度是可調(diào)的，單層時(shí)間控制在2～5 min，更快則容易斷條。將人工與機(jī)器的效率、外觀進(jìn)行對比，得到表1所示的試驗(yàn)結(jié)果。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置可以實(shí)現(xiàn)面條呈“8”字交叉纏繞在繞面桿上，運(yùn)行平穩(wěn)，效率高。

表1 人工與機(jī)器的對比結(jié)果

圖10 試驗(yàn)樣機(jī)

4 結(jié)語

通過分析當(dāng)前傳統(tǒng)手工業(yè)制作素面的情況，針對耗時(shí)最多的一道工序，提出了一種呈“8”字纏繞效果的自動(dòng)化繞面機(jī)。繞面機(jī)采用了氣動(dòng)與電動(dòng)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制，具有省力、高效、清潔、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，大大降低了企業(yè)的用工成本。實(shí)現(xiàn)繞面機(jī)功能的關(guān)鍵是上下擺動(dòng)、前后進(jìn)給、擺動(dòng)架后退幾個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作協(xié)調(diào)、有序，為此建立三維模型，進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)分析。針對不同面條的粗細(xì)、軟硬程度對繞面桿的彎曲產(chǎn)生不同變形，設(shè)計(jì)繞面桿夾角可調(diào)、快換的結(jié)構(gòu)，增加了繞面機(jī)的實(shí)用性，提高了生產(chǎn)效率。